CN107064067B - 一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量系统及方法，系统包括激光器、光纤分束器、参考干涉仪、测量干涉仪、数据采集卡和计算机；激光器输出的调谐激光通过光纤分束器分成两束，一束激光通过第一光纤准直器后，进入参考干涉仪形成干涉，参考干涉仪的干涉信号由第一光电探测器进行接收；另一束激光通过第二光纤准直器后，进入测量干涉仪形成干涉，测量干涉仪的干涉信号由第二光电探测器进行接收；第一光电探测器和第二光电探测器通过数据采集卡连接计算机。本发明可以直接测量路径上空气折射率廓线，扩大了空气折射率的测量范围，降低了测量成本，提高了系统的测量精度和鲁棒性。

Description

一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量系统及方法
技术领域
本发明属于精密激光干涉测量领域，具体涉及一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量系统及方法。
背景技术
在重大装备制造、装配过程中，激光干涉测量方法与仪器已广泛应用于各类大型零部件在线精密测量、跟踪定位。对于激光干涉测量，空气折射率是影响测量精度的一个重要制约因素。
传统的空气折射率测量方法可分为间接测量法与直接测量法。间接测量法是在测量路径中设置一系列的温度、空气压强、湿度、CO2成分等环境参数传感器，代入Edlen经验公式或相关的修正公式间接计算空气折射率。这种计算得到的空气折射率不确定度主要取决于各环境参量的测量精度。而且，这种间接计算空气折射率的方法需要保证整个测量路径中环境参数分布均匀且变化缓慢。与此类似，目前研究的直接测量空气折射率的方法，如多波长干涉法、瑞利干涉发、真空腔标准具方法等。这类方法通常以真空中的折射率作为标准，通过测量光束在经过真空和空气光路时的光程差所产生的干涉条纹数，来获得空气折射率。然而，这类方法主要解决空间某一局部空气折射率的测量问题，且测量装置结构复杂，成本较高，不利于工业现场的推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气折射率廓线的测量系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题。本发明能够实时的测量光束路径上的空气折射率序列，并以此拟合测量光束路径上的空气折射率空间分布。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量系统，包括激光器、光纤分束器、参考干涉仪、测量干涉仪、数据采集卡和计算机；
激光器输出的调谐激光通过光纤分束器分成两束，一束激光通过第一光纤准直器后，进入参考干涉仪形成干涉，参考干涉仪的干涉信号由第一光电探测器进行接收；另一束激光通过第二光纤准直器后，进入测量干涉仪形成干涉，测量干涉仪的干涉信号由第二光电探测器进行接收；
第一光电探测器和第二光电探测器通过数据采集卡连接计算机。
进一步的，激光器采用可调谐外腔半导体激光器。
进一步的，参考干涉仪由第一分光镜、第一参考反射棱镜第一目标反射棱镜组成；参考干涉仪用笼式框架进行固定，并置于环境稳定的密封腔内。
进一步的，密封腔内设有温度、湿度、压力传感器。
进一步的，测量干涉仪由第二分光镜、第二参考反射棱镜和第二目标反射棱镜组成；测量干涉仪的第二目标反射棱镜能够沿着测量路径来回移动。
一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量方法，包括以下步骤：
首先，将参考干涉仪放置于一个环境稳定的密封腔内，并且在密封腔内内置一个温度、湿度、压力传感器，将测量干涉仪放置于待测路径上；
其次，调节激光器的输出模式，控制激光器输出激光频率线性变化的调谐激光；激光通过光纤分束器分成光强相等的两束激光，一束进入长度固定且为Lr的参考干涉仪，干涉信号由第一光电探测器进行接收；另一束激光进入长度可调的测量干涉仪，干涉信号由第二光电探测器进行接收；数据采集卡同时采集到的两路干涉信号；当激光器光频率线性输出时，在一个单调区间内，检测到参考干涉仪的干涉条纹数为Nr，对应的测量干涉仪的条纹数为Nm；
然后，控制测量干涉仪的第二目标反射棱镜沿路径上移动，在相同的单调区间内检测到第二目标反射棱镜移动到第i个点时，测量干涉仪的干涉条纹数为Nmi，第i+1个点的干涉条纹数为Nmi+1，且第二目标反射棱镜在相邻两个测量点之间的位移为ΔLi；
接下来，读取密封腔内的温度、湿度、压力传感器的测量参数，并利用Edlen公式计算密封腔内的空气折射率nr；
利用空气折射率计算公式，得到测量路径上各点的折射率：
最后，通过对测量路径上各点的折射率序列ni进行样条拟合，从而实现整个路径上的折射率廓线分布的测量。
本发明与传统的干涉法相比，具有以下有益效果：
本发明提出了一种可以直接测量路径上空气折射率廓线的系统及方法，扩大了空气折射率的测量范围。同时，取代了在测量路径上布置大量传感器的方法，降低了测量成本，提高了系统的测量精度和鲁棒性。能够应用于工业现场等复杂环境的空气折射率的测量。
附图说明
图1是基于双干涉仪的空气折射率廓线测量系统原理图。
图2是参考干涉信号和测量干涉信号示意图。图中横坐标为时间，纵坐标左侧为记录的参考干涉仪的干涉信号，右侧为记录的测量干涉仪的干涉信号。图中反映的是参考干涉仪的目标镜在测量路径中的某一个测量点时，参考干涉仪和测量干涉仪分别检测到的干涉信号。
其中：10-可调谐外腔半导体激光器，11-光纤分束器，12-第一光纤准直器，13-第一分光镜，14-第一参考反射棱镜，15-第一目标反射棱镜，16-第一光电探测器，17-第二光纤准直器，18-第二参考反射棱镜，19-第二分光镜，20-第二光电探测器，21-第二目标反射棱镜，22-数据采集卡，23-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量系统，采用可调谐外腔半导体激光器、分束器、参考干涉仪以及测量干涉仪、数据采集设备与计算机构成，通过软件对参考干涉仪与测量干涉仪的干涉信号进行相位提取，控制测量干涉仪目标反射棱镜移动，并与放在恒定环境下参考干涉仪的空气折射率进行比较，计算出测量路径上的一系列空气折射率序列，通过样条拟合的方法，进而计算出测量路径上的空气折射率廓线。
请参阅图1所示，本发明一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量系统，采用可调谐外腔半导体激光器10作为光源，输出激光频率线性变化的调谐激光。频率调谐的激光通过光纤分束器11分成两束，一束激光通过第一光纤准直器12后，进入到由第一分光镜13、第一参考反射棱镜14、第一目标反射棱镜15组成的参考干涉仪形成干涉，干涉信号由第一光电探测器16进行接收；其中，参考干涉仪用笼式框架进行固定，并置于一环境稳定的密封腔内。另一束激光通过第二光纤准直器17后，进入到由第二分光镜19、第二参考反射棱镜18、第二目标反射棱镜21组成的测量干涉仪形成干涉，测量干涉仪的干涉信号由第二光电探测器20进行接收；其中，测量干涉仪的第二目标反射棱镜21可以沿着测量路径来回移动。
本发明一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量方法，包括以下步骤：
首先，将参考干涉仪放置于一个环境稳定的密封腔内，并且在密封腔内内置一个温度、湿度、压力传感器，将测量干涉仪放置于待测路径上。
其次，通过调节中心波长为780nm的New focus TLB-6813-P可调谐外腔半导体激光器10的输出模式，控制激光器输出激光频率线性变化的调谐激光。激光通过光纤分束器11分成光强相等的两束激光，一束进入长度固定且为Lr的参考干涉仪，干涉信号由第一光电探测器16进行接收。另一束激光进入长度可调的测量干涉仪，干涉信号由第二光电探测器20进行接收。数据采集卡22同时采集到的两路干涉信号示意图如图2所示。当激光器光频率线性输出时，在一个单调区间内，检测到参考干涉仪的干涉条纹数为Nr，对应的测量干涉仪的条纹数为Nm。
然后，控制测量干涉仪的第二目标反射棱镜21沿路径上移动，第二目标反射棱镜21移动的距离大小和移动的次数视被测路径长度而定，第二目标反射棱镜21移动的距离越小，空气折射率的测量精度越高；第二目标反射棱镜21移动的次数越多，拟合出的空气折射率廓线越准确。在相同的单调区间内检测到第二目标反射棱镜21移动到第i个点时，测量干涉仪的干涉条纹数为Nmi，第i+1个点的干涉条纹数为Nmi+1，且第二目标反射棱镜21在相邻两个测量点之间的位移为ΔLi。
接下来，读取密封腔内的温度、湿度、气压传感器的测量参数，并利用Edlen公式计算密封腔内的空气折射率nr。
利用空气折射率计算公式，得到测量路径上各点的折射率：
最后，通过对测量路径上各点的折射率序列ni进行样条拟合，从而实现整个路径上的折射率廓线分布的测量。

Claims (2)

1.一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量方法，其特征在于，基于一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量 系统；
所述一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量系统，包括激光器、光纤分束器(11)、参考干涉仪、测量干涉仪、数据采集卡(22)和计算机(23)；激光器输出的调谐激光通过光纤分束器(11)分成两束，一束激光通过第一光纤准直器(12)后，进入参考干涉仪形成干涉，参考干涉仪的干涉信号由第一光电探测器(16)进行接收；另一束激光通过第二光纤准直器(17)后，进入测量干涉仪形成干涉，测量干涉仪的干涉信号由第二光电探测器(20)进行接收；第一光电探测器(16)和第二光电探测器(20)通过数据采集卡(22)连接计算机(23)；
参考干涉仪由第一分光镜(13)、第一参考反射棱镜(14)、第一目标反射棱镜(15)组成；参考干涉仪用笼式框架进行固定，并置于环境稳定的密封腔内；
测量干涉仪由第二分光镜(19)、第二参考反射棱镜(18)和第二目标反射棱镜(21)组成；测量干涉仪的第二目标反射棱镜(21)能够沿着测量路径来回移动；
所述测量方法包括以下步骤：
首先，将参考干涉仪放置于一个环境稳定的密封腔内，并且在密封腔内内置一个温度、湿度、气压传感器，将测量干涉仪放置于待测路径上；
其次，调节激光器的输出模式，控制激光器输出激光频率线性变化的调谐激光；激光通过光纤分束器(11)分成光强相等的两束激光，一束进入长度固定且为Lr的参考干涉仪，干涉信号由第一光电探测器(16)进行接收；另一束激光进入长度可调的测量干涉仪，干涉信号由第二光电探测器(20)进行接收；数据采集卡(22)同时采集到的两路干涉信号；当激光器光频率线性输出时，在一个单调区间内，检测到参考干涉仪的干涉条纹数为Nr，对应的测量干涉仪的条纹数为Nm；
然后，控制测量干涉仪的第二目标反射棱镜(21)沿路径上移动，在相同的单调区间内检测到第二目标反射棱镜(21)移动到第i个点时，测量干涉仪的干涉条纹数为Nmi，第i+1个点的干涉条纹数为Nmi+1，且第二目标反射棱镜(21)在相邻两个测量点之间的位移为ΔLi；
接下来，读取密封腔内的温度、湿度、气压传感器的测量参数，并利用Edlen公式计算密封腔内的空气折射率nr；
利用空气折射率计算公式，得到测量路径上各点的折射率：
最后，通过对测量路径上各点的折射率序列ni进行样条拟合，从而实现整个路径上的折射率廓线分布的测量。
2.根据权利要求1所述的一种双干涉仪的空气折射率廓线的测量方法，其特征在于，激光器采用可调谐外腔半导体激光器(10)。
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